CN114034971B

CN114034971B - 低频输电系统中线路故障的处理方法、系统、装置及介质

Info

Publication number: CN114034971B
Application number: CN202111257577.7A
Authority: CN
Inventors: 刘沈全; 王钢; 苏匀; 李少华; 姚东晓
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2041-10-27
Also published as: CN114034971A

Abstract

本发明公开了一种低频输电系统中线路故障的处理方法、系统、装置及介质，其中方法包括：确定检测到在低频线路中的第一相线路发生故障，切断第一相线路；将低频线路中的第二相线路和第三相线路调节为正交两相输电方式，以避免出现有功功率二倍频波动分量；其中，低频输电系统包括工频主网和低频线路，低频线路通过MMMC换流站与工频主网相联，MMMC换流站包括模块化多电平矩阵式换流器和换流变压器。本发明在低频线路中的线路出现故障时，将原三相输电方式转为二相输电方式，避免输送功率的丢失；另外，调整健全的两相线路的相位，进入正交两相输电方式，避免引入二倍频波动分量，有利于维持系统稳定。本发明可广泛应用于AC/AC变流技术领域。

Description

低频输电系统中线路故障的处理方法、系统、装置及介质

技术领域

本发明涉及AC/AC变流技术领域，尤其涉及一种低频输电系统中线路故障的处理方法、系统、装置及介质。

背景技术

电压和频率是交流电能的两个最重要的参数。自从发明了变压器后，从发电、输电到用电，人们可以根据需要选取不同的电压等级，已达到提高效率、方便使用的目的。但频率尚未得到充分的利用，只能是50Hz或60Hz。如果能在发电、输电、用电等环节采用不同的频率，则可能发挥巨大的效益；例如，若采用较低的频率进行远距离输电可以大幅度提高线路输送能力；若采用较高的频率来使用电能，则可以显著减少电气设备的体积和重量，节约能源和原材料。交流输电系统的输送功率极限可用下式估计：

其中：U为输电系统额定电压，X为输电系统的电抗。

从上式中我们可以看出，输电线路的输送功率与输电系统的额定电压的平方成正比，与系的电抗X成反比。因此，为了提高输送功率，可以提高电压，也可以降低电抗，降低输电系统频率显然能够成反比地提高系统的输送功率极限。

由于电力电子技术的发展，模块化多电平矩阵式换流器(Modular Multi-LevelMatric Converter,MMMC)已在柔性输电领域广泛应用，采用MMMC将输电切换至更低的频率，且取得较好的效果。对于MMMC传统的控制策略，如果其低频线路发生单相故障，则直接闭锁换流器，这种策略会导致系统当前的输送功率全部丢失，对系统造成过大的冲击；如果保留健全两相进入非对称运行模式，在现有控制策略下，健全两相相差为120°，负序电压、电流分量引起的有功功率二倍频脉动，不利于系统的稳定。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种低频输电系统中线路故障的处理方法、系统、装置及介质。

本发明所采用的技术方案是：

一种低频输电系统中线路故障的处理方法，包括以下步骤：

确定检测到在低频线路中的第一相线路发生故障，切断第一相线路；

将低频线路中的第二相线路和第三相线路调节为正交两相输电方式，以避免出现有功功率二倍频波动分量；

其中，所述低频输电系统包括工频主网和低频线路，所述低频线路通过MMMC换流站与工频主网相联，所述MMMC换流站包括模块化多电平矩阵式换流器和换流变压器。

进一步，所述切断第一相线路，包括：

通过断路器切断第一相线路；

其中，第一相线路、第二相线路和所述第三相线路的两端均安装有断路器。

进一步，所述将低频线路中的第二相线路和第三相线路调节为正交的输电方式，包括：

通过模块化多电平矩阵式换流器的控制系统，将第二相线路和第三相线路之间的相位，从相差120°调节为相差90°，经由低频线路中的中性点接地构成电流回路，以形成正交两相输电方式。

进一步，所述低频线路在三相输电方式时，线路传递的总功率的表达式为：

其中，E_L为单相电压幅值；I_L为线电流幅值；

为低频侧功率因数角。

进一步，所述低频线路在正交两相输电方式时，线路传递的总功率的表达式为：

其中，E_L为单相电压幅值；I_L为线电流幅值；

为低频侧功率因数角。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种低频输电系统中线路故障的处理系统，包括：

故障检测模块，用于确定检测到在低频线路中的第一相线路发生故障，切断第一相线路；

线路调节模块，用于将低频线路中的第二相线路和第三相线路调节为正交两相输电方式，以避免出现有功功率二倍频波动分量；

进一步，所述切断第一相线路，包括：

通过断路器切断第一相线路；

本发明所采用的另一技术方案是：

一种低频输电系统中线路故障的处理装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明在低频线路中的线路出现故障时，不直接闭锁换流器，而是将原三相输电方式转为二相输电方式，避免输送功率的丢失；另外，调整健全的两相线路的相位，进入正交两相输电方式，避免引入二倍频波动分量，有利于维持系统稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中MMMC的电路拓扑示意图；

图2是本发明实施例中基于MMMC的三相端对端低频输电系统应用场景示意图；

图3是本发明实施例中转换后的正交两相端对端低频输电系统示意图；

图4是本发明实施例中正交两相运行模式下低频输电系统及MMMC桥臂电压、电流的典型波形。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

以下结合图1，对模块化多电平矩阵式换流器(MMMC)的电路结构以及工作原理进行解释说明。MMMC包含9条桥臂，将两侧交流电网的三相端口两两相连。每条桥臂由一个电感L和n个全桥模块(FBSM，full-bridge Submodule)串联构成。本实施例以u、v和w表示工频系统三相，而a、b和c表示分频系统三相电压。出于简化描述的目的，后续部分将以x指代低频侧三相a、b、c中的任意一项，以y指代工频侧三相u、v、w中的任意一项。各桥臂通过其两端所连接的端口名称命名，例如，连接分频侧a相和工频侧u相的桥臂被称为“桥臂au”。每个模块均由一个模块电容和一个单相全桥逆变器组成，通过改变全桥逆变器中四个换流阀的开关信号，每个模块可输出+v_C，-v_C或0三种电平(v_C为模块电容电压)，若忽略模块间的电容电压差异，n_SM个模块共可以产生从-n_SMv_C到n_SMv_C之间的(2n+1)个电平。其中，桥臂：由电抗器和一系列全桥子模块串联构成，桥臂以其所联结的低频/工频相别命名，MMMC共包含9条桥臂，分别为桥臂au、av、aw、bu、bv、bw、cu、cv、cw。

根据基尔霍夫电压定律，可建立MMMC低频侧的电压输出方程：

式中，e_x表示工频侧x相端口电压(x∈{u,v,w})；e_y表示低频侧y相端口电压(y∈{a,b,c})；v_xy和i_xy分别表示桥臂xy的级联FBSM输出电压及流经该桥臂的电流。

由上所述，v_xy可通过调节桥臂所属的各FBSM的触发脉冲加以控制，可等效为受控电压源。进一步地，低频侧三相电压e_a，e_b和e_c也呈完全受控特性，即对于给定工频侧三相电压e_u，e_v和e_w和低频侧三相电压指令值e_a ^ref，e_b ^ref和e_c ^ref，按照式(2)规律调节各桥臂中级联FBSM的输出电压，即可令低频侧输出所需的三相电压：

将图1中所示的MMMC应用于工频系统中，可搭建基于MMMC的三相端对端低频输电系统，如图2所示。基于该低频输电系统，本实施例提供一种低频输电系统中线路故障的处理方法，在该方法中，当检测到低频侧某相线路故障后，不再直接闭锁换流器，而是由原三相输电方式转为正交二相输电方式，也即切换跳开故障发生相线路，控制系统转换控制方式为正交两相输电，即健全两相(即未被切断的两相线路)的相位差为90°，通过中性点接地系统构成回路，此模式下低频线路通过的有功功率不含二倍频分量，有利于维持系统功率稳定。以下结合图3进行详细解释说明。

假设正常工作时，低频侧三相电压为：

式中，E_L为单相电压幅值；ω_L为低频系统角频率。

低频侧三相电流为：

式中，I_L为线电流幅值；

为低频侧功率因数角。

线路传递的总功率可表示为：

由式(5)可见，正常运行时，三相线路传递的功率为一恒定量。

以下讨论单相线路故障后低频系统的运行方式。不失一般性，假设故障发生于c相，检测到故障发生后，通过线路两端断路器动作，跳开c相线路，此时c相传输功率为0。若a、b两相仍然维持120°相差运行，线路传递的总功率可表示为：

由公式(6)可见，该模式下，线路传递功率包含一个直流分量及一个二倍频波动分量，直流分量的大小为三相健全情况下的2/3。二倍频波动分量的存在给输电系统的安全稳定运行带来挑战。

若a、b两相工作正交两相运行模式下，a相和b相电气量呈90°相差，即：

此时线路传递的总功率可表示为：

可见，所提运行方式下，线路传递功率仅包含直流分量，且其大小与式(6)相同。与传统缺相运行方式相比，所提运行方式在维持输送功率不变的前提下，消除了有功功率的二倍频波动分量，有利于系统的安全稳定运行。

参见图2，基于MMMC的三相端对端低频输电系统包括工频系统、换流站和低频输电线路。其中，工频系统为：50Hz的三相工频电网，本实施例中以u、v、w指代工频三相。换流站由MMMC变频装置及两侧的Y-Δ换流变压器构成；MMMC负责实现工频-低频系统间的频率变换，其低频侧输出电压呈受控特性，可利用这一特点，令低频侧线路发生单相故障后，调节健全两相相差为90°，实现正交两相运行；Y-Δ换流变压器实现MMMC端口电压与工频、低频系统间的电压转换，同时起到隔离作用。基于该三相端对端低频输电系统，本实施例提供的一种低频输电系统中线路故障的处理方法，包括以下步骤：

S1、确定检测到在低频线路中的第一相线路发生故障，切断第一相线路。

故障检测可由现有的线路保护系统进行检测，现有电力系统继电保护框架下已有成熟技术方案，因此在此不再赘述。在这里需要注意的是，该第一相线路并非具体指定三相线路中的某一线路，而是代指出现故障的线路，比如，线路a出现了故障，则线路a为第一相线路，剩下的线路b和线路c为健全的两线路；若线路b出现了故障，则线路b为第一相线路，剩下的线路a和线路c为健全的两线路。

在一些可选的实施例中，通过线路两端的断路器跳开故障相低频线路，以使原三相输电方式转为二相输电方式。

S2、将低频线路中的第二相线路和第三相线路调节为正交两相输电方式，以避免出现有功功率二倍频波动分量。

在本实施例中，当低频输电线路发生单相故障时，健全两相不再维持120°相差，而是利用MMMC低频端口输出电压的受控特性，通过调整MMMC低频侧输出电压，令低频系统一次侧健全两相的相差调节为90°，并经由中性点接地系统构成电流回路，从而进入正交两相输电方式，该模式下低频侧有功工频不含二倍频波动分量，有利于维持系统稳定。

以下结合具体实施例对上述方法进行详细解释说明。

若低频线路发生单相故障，例如低频线路a相永久接地时，应对方法如下：

第一步：由于子换流器a与低频侧的a相相连，当线路保护系统检测到a相故障后，线路两侧保护会跳开以隔离该线路故障，低频系统一次侧进入两相运行模式。其中，子换流器：由联接交流系统同一相的3个桥臂共同构成，从低频侧看入，MMMC共有3个子换流器，分别为子换流器a(au、av、aw)、子换流器b(bu、bv、bw)、子换流器c(cu、cv、cw)。

第二步：换流站自身检测到故障或收到故障信息后，限制MMMC的最大功率降到设计值的2/3。

第三步，根据故障相别，将控制系统平滑切换至对应的正交两相输电方式，通过调节子换流器a、b、c的输出电压，使之匹配一次侧正交两相运行时的二次侧三相电压，再根据功率/电压/电流等反馈控制环节的需求，对子换流器a、b、c的输出电压做进一步微调，如图4所示。其中，图4(a)为低频换流变线路侧电压的仿真示意图，图4(b)为MMMC低频侧出口电压的仿真示意图，图4(c)为低频换流变线路侧电流的仿真示意图，图4(d)为MMMC低频侧出口电流的仿真示意图。

综上所述，本实施例的方法相对于现有技术，具有如下有益效果：本实施例基于MMMC的端对端低频输电的应用场景，其控制策略简单易用，可以在MMMC低频线路单相故障后切换成正交两相输电方式，故障后传输的有功功率不含二倍频波动，有利于系统功率与能量稳定，具有工程实用价值，经济效益显著。

本实施例还提供一种低频输电系统中线路故障的处理系统，包括：

其中，低频输电系统包括工频主网和低频线路，低频线路通过MMMC换流站与工频主网相联，MMMC换流站包括模块化多电平矩阵式换流器和换流变压器。

进一步作为可选的实施方式，所述切断第一相线路，包括：

通过断路器切断第一相线路；

进一步作为可选的实施方式，所述将低频线路中的第二相线路和第三相线路调节为正交的输电方式，包括：

本实施例的一种低频输电系统中线路故障的处理系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种低频输电系统中线路故障的处理方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供一种低频输电系统中线路故障的处理装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

本实施例的一种低频输电系统中线路故障的处理装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种低频输电系统中线路故障的处理方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种低频输电系统中线路故障的处理方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种低频输电系统中线路故障的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，所述低频输电系统包括工频主网和低频线路，所述低频线路通过MMMC换流站与工频主网相联，所述MMMC换流站包括模块化多电平矩阵式换流器和换流变压器；

所述将低频线路中的第二相线路和第三相线路调节为正交两相输电方式，包括：

2.根据权利要求1所述的一种低频输电系统中线路故障的处理方法，其特征在于，所述切断第一相线路，包括：

通过断路器切断第一相线路；

3.根据权利要求1所述的一种低频输电系统中线路故障的处理方法，其特征在于，所述低频线路在三相输电方式时，线路传递的总功率的表达式为：

其中，E_L为单相电压幅值；I_L为线电流幅值；

为低频侧功率因数角。

4.根据权利要求1所述的一种低频输电系统中线路故障的处理方法，其特征在于，所述低频线路在正交两相输电方式时，线路传递的总功率的表达式为：

其中，E_L为单相电压幅值；I_L为线电流幅值；

为低频侧功率因数角。

5.一种低频输电系统中线路故障的处理系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的一种低频输电系统中线路故障的处理系统，其特征在于，所述切断第一相线路，包括：

通过断路器切断第一相线路；

7.一种低频输电系统中线路故障的处理装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-4任一项所述方法。

8.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-4任一项所述方法。